Швейцарские ученые разработали метод создания мягких микроботов с программируемыми подвижностью и формой. Технологию рассчитывают применять для проведения минимально инвазивных хирургических операций. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Communications.
Идею конструкции своих микроботов сотрудники Федеральной политехнической школы в Лозанне и Швейцарской высшей технической школы Цюриха почерпнули у подвижных живых клеток (например, возбудителя сонной болезни Trypanosoma brucei), которые могут менять морфологию и тип движения в зависимости от условий среды.
Для создания устройств ученые использовали многослойную гидрогелевую конструкцию из биосовместимых полимеров. Поддерживающий слой изготовлен микролитографией из полиэтиленгликольдиакрилата (PEGDA) с магнитными наночастицами. Перед фотополимеризацией наночастицы ориентировали в определенном направлении постоянным магнитным полем. После этого накладывали слой N-изопропилакриламида (NIPAAm), меняющего свой объем под действием температуры. Наночастицы в нем выстраивали в плоскости, перпендикулярной поддерживающей пластинке. В финале к микроботам присоединяли однослойный полимерный жгутик с косой ориентацией магнитных наночастиц.
Такая анизотропная магнитная архитектура позволила авторам работы складывать устройства по принципу оригами, обеспечивать различные их движения и управлять формой с помощью магнитных полей и нагревания лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона (длина волны 808 нанометров).
Одной из важных особенностей подхода исследователи называют его универсальность. «Наш новый метод производства позволяет протестировать ряд форм и их сочетаний, необходимых для наилучшей подвижности микробота при выполнении конкретной задачи. Также мы смогли улучшить понимание того, как микроорганизмы движутся в организме человека, адаптируясь к изменениям микросреды», — сказал один из авторов работы Селман Сакар (Selman Sakar).
В настоящее время микроботы находятся в стадии дальнейшей разработки. По словам Сакара, необходимо учесть еще множество факторов, в первую очередь безопасность их применения у пациентов. В перспективе ученые рассчитывают приспособить технологию для проведения малоивазивных вмешательств, таких как удаление преград кровотоку в сосудах.
Олег Лищук
Пока лишь со скоростью 1,6 миллиметра в секунду
Американские инженеры разработали робота, способного автономно передвигаться в толще сыпучего материала, проталкивая себя вперед с помощью двух конечностей, напоминающих плавники. В испытаниях робот продемонстрировал способность передвигаться в песке на глубине около 127 миллиметров со скоростью до 1,6 миллиметра в секунду. Статья опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems. Сыпучие материалы, такие как песок, мягкие почвы, снег или лунный реголит, представляют собой довольно сложную среду для передвижения. Объекты, движущиеся в их толще, испытывают высокое сопротивление, возрастающее с глубиной погружения. Кроме того, сыпучая среда ограничивает возможности зондирования и обнаружения препятствий. Тем не менее инженеры пытаются создать роботов, способных передвигаться в таких условиях. Например, американские разработчики представили прототип робочервя, способного двигаться в толще песка. Для снижения сопротивления он выдувает перед собой воздух, и одновременно разматывает мягкую оболочку своей передней части, выталкивая ее вперед, в то время как остальное тело остается неподвижным. Это позволяет значительно снизить сопротивление движению. Однако для его работы требуется воздух, который приходится подводить с поверхности. Создать робота, который смог бы передвигаться в песке автономно, решили инженеры под руководством Ника Гравиша (Nick Gravish) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Разработанный ими робот перемещается, проталкивая себя вперед через толщу сыпучей среды с помощью двух гибких конечностей, напоминающих плавники морской черепахи. Конечности состоят из пяти звеньев. Каждое звено способно вращаться относительно предыдущего, но углы их отклонений ограничиваются с помощью фиксаторов. В движение оба плавника приводятся через червячную трансмиссию с помощью единственного электромотора. При этом трансмиссия воздействует только на первые ближайшие к корпусу звенья. Благодаря фиксаторам, ограничивающим углы поворотов звеньев, при движении вперед конечности изгибаются, испытывая меньшее сопротивление среды, а при движении назад наоборот, распрямляются, позволяя роботу отталкиваться от песка. На концах конечностей разработчики поместили сенсоры, с помощью которых робот может обнаруживать расположенные сверху объекты. Корпус робота длиной около 26 сантиметров имеет прямоугольное сечение и утолщение в передней части, которое позволяет снизить сопротивление песка при движении. Нос робота заострен и имеет наклонную поверхность сверху, которая необходима для компенсации подъемной силы, возникающей при движении в песке. С этой же целью по бокам после проведенных тестов пришлось разместить два дополнительных наклонных неподвижных плавника, так как робот имел тенденцию задирать нос при движении под действием выталкивающей силы. Чтобы избежать попадания песчинок в механизм, конечности поместили в чехлы из нейлоновой ткани. Разработчики протестировали робота, погруженного на глубину 127 миллиметров в песок, сначала в небольшом искусственном резервуаре, а после в естественных условиях в песке на пляже. В сухом песке робот смог развить скорость 1,6 миллиметра в секунду. В более влажном песке на пляже робот двигался медленнее, со скоростью около 0,57 миллиметра в секунду. В будущем инженеры планируют увеличить скорость передвижения робота, а также научить его самостоятельно погружаться в песок. Ранее мы рассказывали об исследовании, в котором физики выяснили, что происходит со структурой песка при передвижении по нему с помощью прыжков. Они обнаружили, что при правильно подобранном времени задержки между приземлениями и новым толчком, можно увеличить высоту прыжка на 20 процентов и даже больше.